CFD-Optimierte Anströmungsbedingungen bei Drohnenvereisung

Für die experimentelle Untersuchung von Drohnenvereisung werden im RTA Klimawindkanal Versuche unter realitätsnahen Anström- und Umweltbedingungen durchgeführt. Um verlässliche Messdaten zu erhalten, müssen sowohl die Strömungsgeschwindigkeit als auch die Strömungsqualität in der Messstrecke höchste Anforderungen erfüllen.
Im Rahmen eines CFD Simulationsprojekts wurde daher untersucht, wie sich eine zweite Kontraktionsdüse sowie eine optimierte Diffusorgeometrie hinter der Mess-strecke auf die erreichbare Strömungsgeschwindigkeit und den Druckverlust auswirken.

Ziel der Studie war es,

• eine Diffusorgeometrie zu finden, die den Energiebedarf zur Erzeugung einer Strömungsgeschwindigkeit von 80 m/s minimiert,
• die zweite Kontraktionsdüse strömungstechnisch zu bewerten,
• und die Anzahl der Rechenelemente durch geeignetes Remeshing gering zu halten.
  Objekte innerhalb der Messstrecke wurden dabei bewusst nicht berücksichtigt, um den Einfluss der Kanalgeometrie isoliert zu analysieren.

Basis für die CFD Simulationen war der Import und die Aufbereitung der bestehen-den CAD Geometrien des Klimawindkanals sowie der ersten Kontraktionsdüse. Die zweite Kontraktionsdüse wurde als feste Geometrie definiert. Der Diffusor hingegen wurde parametrisiert, um verschiedene Varianten automatisiert durchrechnen und optimieren zu können.
Die Simulationen wurden unter folgenden Randbedingungen durchgeführt:

• Volumenstrom: 500 m³/s (ergibt ~80 m/s in der Messstrecke)
• Luft als ideales Gas, isothermal bei −10 °C
• k‑ε Turbulenzmodell mit skalierbarer Wandfunktion
• stationäre Rechnung, nicht-buoyant
• Auslass mit 0 Pa statischem Druck (vereinfachende Annahme)
• Rechenaufwand: ca. 45 min pro Fall (inkl. Remeshing) auf 12 Kernen

Durch die Variation des Diffusors wurden mehrere Designs miteinander verglichen. Als optimal stellte sich eine Konfiguration mit folgenden Parametern heraus:

• Diffusorwinkel: 5°
• Höhenverhältnis Diffusoreintritt zu Düsen­austritt: 1,1
• Verengung des Diffusors: 0,95 (Verhältnis Minimumhöhe zu Eintrittshöhe)
• Position des minimalen Querschnitts: 2 m nach Eintritt

Mit dieser Geometrie konnte der Druckverlust im Vergleich zu einem Kanal ohne Diffusor nahezu halbiert werden:

• Druckverlust ohne Diffusor: ~3000 Pa
• Druckverlust mit optimiertem Diffusor: ~1400 Pa

Eine weitere Verbesserung erscheint möglich, wenn die scharfe Kante im Bereich des minimalen Diffusorquerschnitts durch eine definierte Krümmung ersetzt wird.

Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass eine geeignete Diffusorgeometrie einen wesentlichen Einfluss auf die Energieeffizienz und Strömungsqualität im Klimawindkanal hat. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für zukünftige Anpassungen des Kanals, die insbesondere für Untersuchungen von Drohnenvereisung unter realistischen Bedingungen von großer Bedeutung sind.

Im Rahmen eines CFD‑Simulationsprojekts wurde die Strömungsführung im RTA‑Klimawindkanal umfassend optimiert. Ziel war es, für Vereisungsuntersuchungen realistische Anströmgeschwindigkeiten von 80 m/s bei gleichzeitig hoher Strömungsqualität zu gewährleisten.

Durch die Analyse einer zweiten Kontraktionsdüse sowie die Entwicklung eines optimierten Diffusors konnte der Druckverlust im Kanal um rund 50 % reduziert werden. Die Ergebnisse bilden eine wichtige Grundlage für energieeffiziente und präzise Versuchsbedingungen in zukünftigen Vereisungstests.